风电和光伏发电接入电网的电压稳定及控制策略

孙源 冯学民 齐志 冯瀚

摘 要： 电网改造与优化是电力事业发展的有效途径，在电网中接入风电和光伏发电，能够为电力资源持续供应提供助力，但也增加了供电的不确定性。从静态和动态两方面着手对风电和光伏发电接入电网的电压稳定性进行了分析，研究导致电压不稳定的主要原因，在此基础上提出了具体控制方法和实施策略，以期为风电和光伏发电在电网中的有效接入提供参考。

关键词： 风力发电 光伏发电 电网 电压稳定 电压控制

中图分类号： TM75文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2024）02-0062-03

Voltage Stability and Control Strategy for Connecting Wind Power and Photovoltaic Power Generation to the Grid

SUN Yuan1 FENG Xuemin2 QI Zhi3 FENG Han4*

（ 1.Tianjin Woruifeng Technology Development Co.， Ltd.， Tianjin， 300308 China； 2.State Grid Tianjin Information & Telecommunication Company Tianjin， 300140 China； 3.State Grid Tianjin Chengnan Power Supply Co.， Ltd.， Tianjin， 300210 China； 4.State Grid Tianjin Jinghai Power Supply Co.， Ltd.， Tianjin， 301600 China ）

Abstract： Power grid transformation and optimization is an effective way for the development of electric power industry. The access of wind power and photovoltaic power generation in the power grid can provide a boost to the sustainable supply of power resources， but it also increases the uncertainty of power supply. In this paper， the voltage stability of wind power and photovoltaic power generation connected to the grid is analyzed from both static and dynamic aspects， and the main reasons leading to voltage instability are studied. On this basis， specific control methods and implementation strategies are proposed， in order to provide reference for the effective access of wind power and photovoltaic power generation in the grid.

Key Words： Wind power generation； Photovoltaic power generation； Power grid； Voltage stability； Voltage control

电力资源已经成为人们生产、生活中的重要资源，在人们用电需求不断增加的情况下，发电方式也要持续改进，利用新能源发电，可减少资源能源的消耗，降低对周围环境造成的污染。风电和光伏发电方式可满足上述要求，但是在实际应用过程中存在不稳定特点，导致其接入电网后的电压稳定性较差，无法实现电网高效运行，这就需要根据二者接入后电网的电压稳定情况做好相应控制工作，保证风电和光伏发电的接入电网效果，使电力系统保持稳定运行状态。

1 风电和光伏发电接入后静态与动态稳定性的分析

1.1 静态稳定性分析

静态潮流电压稳定性分析会根据分析要求选择针对性强的潮流模型，分别为由传统概念支持的非稳定性潮流分析方法和动态潮流分析方程法，前者可以直观展示线路负荷，后者可以运用多种分析方法进行参数确定，一般在特定的电压运行条件下，能够了解电力系统运行期间的稳定性以及电压稳定响应裕度[1]。但由于整个系统运行期间的影响因素较多，不确定性比较强，每种元件设备的状态、电力负荷程度以及风电和光伏发电系统的稳定性，都会对电网稳定运行产生影响，应建立概率数值评估模型，对不同因素的影响概率进行计算分析。

1.2 动态稳定性分析

风电和光伏发电技术水平不断提升，机组内部组成更为复杂，若设备出现故障问题，会直接影响电网运行状态，电量得不到持续稳定供应，从而影响邻近区域风电系统的正常运行。风电和光伏发电系统运行中故障类型较为多样，很容易出现无功补偿操作过度的现象，还会导致无功电压异常波动，在负载保护系统的作用下会导致并网机组出现脱网、断网情况。要想保证电网稳定运行，则应对并网机组结构和性能进行仿真分析，掌握各类装置设备的动态运行特点，分析机组运行故障和各类事故问题的发生原因，在此基础上进行无功功率补偿实现动态无功调节[2]。

2 风电和光伏发电接入电网的电压控制方法与策略

2.1 电压控制方法

2.1.1 控制电网系统中的调节设备

（1）不同系统的重要设备控制。风电系统并网接入过程中，工程技术人员可以使用双馈风力发电机，直接通过下发指令的方式调节设备状态，根据电网电压特点提供无功功率，为电网运行提供支撑，切实提高系统运行效率，为电压控制策略实施创造良好条件。光伏发电系接入电网后应选择并网逆变器，该设备直接影响光伏发电站的发电功率、运行质量以及电力输出数量，若该设备出现异常或者发生故障，则会对整个发电机组的稳定运行和电力的安全运输造成影响，电网中的电压稳定也会受之影响，需要做好设备控制与调节工作。

（2）电容器的适当调节。风电系统和光伏发电系统计入电网后，与之并联的电容器组运行状态发生改变，虽然可以减少成本方面的投入，也方便后续维护，但若没有进行有效处理，则无法保证电容器的补偿状态，影响其功能发挥。同时，电容器的补偿容量会受到该设备分组数量的影响，数量越少，补偿梯度越大，容易影响电网稳定性；数量越多，则投入成本越高[3]。要想对电容器组进行有效控制，则应联系电力系统运行情况，做好适当调节工作，尤其需要注意系统功率幅度变化较大的节点，根据电网电压稳定控制需求对电容器进行针对性调节处理，可提高无功补偿设备连续调节效果，为电网安全运行奠定基础。

2.1.2 控制接入电网的电压分层模型

（1）变压器和电容器组控制调节。电压分层模型控制在电网的电压控制方面起到了良好作用，主要基于调节设备的特性进行相应控制与调整，结合风电系统和光伏发电系统运行特点，制定分级控制措施，对系统运行期间的数据进行预测分析，为后续管控调节提供参考依据。分层电源电压模型构建和控制过程中，应对电网中变压器和电容器进行全面调节与管控。风电系统和光伏发电系统机组运行时间较久，不能通过工作人员进行持续调节，在实际制定相关控制措施的过程中，会对变压器和电容器的运行功率、可调节量进行分析，将其作为参考依据，根据系统运行时功率数据显示情况，控制调整电压偏差，为电力系统稳定运行提供保障。

（2）风电场、光伏发电站和动态调节设备控制。电力系统运行期间风电场、光伏发电站以及动态调节设备的运行状态，可以体现出微调装置的功能作用，该装置在调节和控制无功电压方面起到一定作用，能够保障电力系统运行期间上述三者的稳定平衡，提高电网电压的稳定性，也可以根据系统运行情况调节设备，使其处于高效运行状态，切实提高无功出力效率，让风电系统和光伏发电系统稳定持续输送电力资源[4]。分层电压模型运行期间也可实现与先进控制技术的有机结合，充分发挥现代科技的功能作用提高控制效率，为电网整个系统的稳定运作提供技术支持，应加强多种新技术的研究与应用。

2.2 电压控制策略

2.2.1 风电接入电网的电压控制

（1）控制架构。为能够充分发挥风电系统运行中的动态无功补偿功能，则应加强基础设备建设，并按照相关标准的要求以及结合风电机组运行的具体情况，进行合理安装，为电压协调控制提供基础支持。首先，要设置控制架构，建立分层结构，通过分层分析与管理控制误差产生。风电系统接入电网电压控制架构主要由调节层、分配层和控制层组成，中心系统下发指令后，调节层可以对风电并网节点的电压值进行有功预测，并进行自适应调节；分配层则会收集系统运行参数，输出参考指令；控制层则会跟踪控制风电系统接入电网节点的电压值，从而确定有功输出和无功输出的数值参数，为电压稳定控制提供参考。

（2）策略实现。电网电压控制时，相关人员应对风电系统机组电压输出情况进行了解与掌握，若输出较低，电阻和电抗比较大，在节点有电流通过的条件下，可通过节点电压和功率输出值计算灵敏度系数。根据中心控制系统给出的电压和有功功率参考值，可对能够调节的电压极限值进行估测，以此为依据对风电系统接入电网的节点电压进行合理控制[5]。收集该节点参数信息了解电压变化轨迹，在机组调压功能的作用下，整个风电机组可实现自适应调节。通过追踪最大功率曲线，分析是否超出指令控制周期，根据分析结果继续执行指令或者确定新的指令，若超出指令范围，则说明风电机组的无功调节能力不足，需要及时调整输出功率。

2.2.2 光伏发电接入电网的电压控制

（1）机组接入。光伏发电系统运行中具有分散特点，要在最近的节点接入电网，由于该系统的供电距离比较长，在发电高峰期容易出现接入电网沿线电压明显增加的现象，需要通过机组的合理接入来调整和控制电网电压。光伏发电系统在接入电网之前，先要提前调查并网容量，确定电压水平，应以最大负荷距的运行电压为依据，将光伏发电机组的相关参数控制在其之内，这是顺利接入电网并发挥光伏发电站功能的关键。对于光能较足的区域，可通过增设变压器数量或者缩短供电线路长度的方式来控制并网电压，使其处于稳定状态。

（2）电压调节。若电力系统中需要接入较多光伏发电机组，则应动态分析电网状态并进行无功补偿，以免出现电压升高导致严重超出限值的情况。建立自适应模型对光伏发电的机组接入电网后的功率变化进行预测，并使用智能算法进行精准求解计算，为并网电压控制提供了可靠依据。若无法控制逆变器输出功率，则应使用传感器设备对涉及到的信息数据进行采集分析，经过有效运算了解线路运行期间的负载情况。在误差要求范围内，若光伏发电机组接入电网节点的电压与控制中心调度指令预测值相符，则说明电网电压相对稳定，无需调整预测模型。如若二者不相符，应对模型参数进行调整更新，并做好电压反馈调节工作，实现电压有效控制。

3 结语

风电和光伏发电系统接入电网后，要想保持电压稳定平衡，需要结合两种发电系统的特点，做好相应控制工作，注重对涉及到的数据参数深层剖析，在此基础上建立完善管理策略，为电网稳定、高效运行提供保障。运营管理阶段，风电和光伏发电接入电网后的干扰因素较多，在实际接入之前需要做好调研工作，了解环境特点，掌握工程特征，以此为依据完善接入电网的方法策略，保障风电和光伏发电电网的建设效果，实现清洁能源的高效利用，这对电网电压平稳运行有着积极影响，可推动电力事业长远持续发展。

参考文献

[1]韩蕾，高瑞霞，戈涛.风力和光伏发电技术接入电网的电压控制方法[J].中文科技期刊数据库（全文版）工程技术，2022（5）：161-163.

[2]包翔，张海平.风电光伏发电接入电网的电压稳定及控制方法[J].电子技术与软件工程，2020（22）：224-225.

[3]杨重伟，梁旭，毛岚.基于高比例光伏接入低压系统的电压控制研究[J].电气传动，2022，52（8）：60-67.

[4]刘松，李啸骢，陈登义.大型光伏储能电站与同步发电机励磁的非线性协调控制策略[J].电力自动化设备，2020，40（5）：92-98.

[5]王若昕，杨凯帆，谢枭，等.光伏发电接入对配电网电压质量的影响[J].电工材料，2021（1）：42-44.